Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach ...web.science.upjs.sk/gallay/web_vyucba/DPZ/09_DPZ... · Bunka rastra: 1 m Spracovanie LiDAR údajov – filtrovanie Oblasť západ

Aktívne systémy DPZ

Mgr. Michal Gallay, PhD.

[email protected]

Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach

Prírodovedecká fakulta

Ústav geografie

Porovnanie pasívnych a aktívnych

systémov diaľkového prieskumu

Pasívne systémy DPZ zaznamenávajú prirodzené EMG žiarenie

odrazené (napr. modré, zelené, červené, infračervené svetlo) alebo

vyžiarené (napr. termálne EMG) z povrchu Zeme

Aktívne systémy DPZ produkujú vlastné EMG žiarenie, ktoré 1) je

vysielané zo senzora smerom k Zemi, 2) interaguje s objektami na

zemskom povrchu odrážajúc energiu 3) zaznamenávanú prijímačom

na senzore.

Aktívne systémy nie sú teda závislé na slnečnej EMG ani

tepelných vlastnostiach Zeme.

Jensen,

2008

Aktívne systémy DPZ

Najrozšírenejšie:

• RADAR - využíva dlhovlnné mikrovlnné žiarenie (3 – 25 cm)

a zaznamenáva intenzitu odrazenej časti žiarenia od zemského

povrchu;

• LIDAR, využíva krátkovlnné žiarenie svetla (0,6 - 10 mm) s

vysokou koherenciou (rovnobežný zväzok lúčov) typu LASER

zaznamenáva intenzitu odrazenej časti žiarenia od zemského

povrchu;

• SONAR, využíva zvukové vlny vysielané vo vodnom prostredí

a zaznamenáva intenzitu odrazenej energie od dna alebo objektov

vo vodnom stĺpci. Jensen, 2008

RADAR

princíp

Jensen, 2008

•EMG vysielané v dávkach

energie – pulzoch (cca.

každých 0,000 000 1 s)

•Energia jedného pulzu sa

odráža od objektov na

povrchu v poradí podľa

vzdialenosti od

zdroja/vysielača na palube

•Zaznamenáva sa intenzita

odrazenej energie a čas za

ktorý sa pre daný pulz vráti.

Jensen, 2008

RADAR typické vlnové dĺžky a frekvencie pre DPZ

mikrovlnné žiarenie

Mikrovlnná rúra: 2,5 GHz a vlnová dĺžka okolo 12 cm

Mobilní operátori okolo 1 GHz a vlnová dĺžka okolo 30 cm

RADAR typické vlnové dĺžky a frekvencie pre DPZ

Band Designations

(common wavelengths Wavelength () Frequency ()

shown in parentheses) in cm in GHz

_______________________________________________

K 1.18 - 1.67 26.5 to 18.0

Ka (0.86 cm) 0.75 - 1.18 40.0 to 26.5

Ku 1.67 - 2.4 18.0 to 12.5

X (3.0 and 3.2 cm) 2.4 - 3.8 12.5 - 8.0

C (7.5, 6.0 cm) 3.8 - 7.5 8.0 - 4.0

S (8.0, 9.6, 12.6 cm) 7.5 - 15.0 4.0 - 2.0

L (23.5, 24.0, 25.0 cm) 15.0 - 30.0 2.0 - 1.0

P (68.0 cm) 30.0 - 100 1.0 - 0.3

Jensen, 2008

SIR-C/X-SAR Images

of a Portion of

Rondonia, Brazil,

Obtained on April 10,

1994

Jensen, 2008

Radarový obraz

Rwanda

Na porovnanie Landsat

Rwanda

Predskrátenie,

predloženie, a tieň

Jensen, 2008 Radar shadow (radarový tieň)

Layover (predloženie obrazu)

Foreshorteing (skrátenie obrazu)

Predskrátenie

Foreshortening

Jensen, 2008

Synthetic Aperture Radar (SAR)

RADAR

SAR

Lillesand et al. (2004): Remote Sensing and Image Interpretation

Princíp predlžovania antény

Side looking radar (SLAR)

Priestorové rozlíšenie sa s narastajúcou vzdialenosťou objektu od antény zhoršuje.

h - výška letu, L – dĺžka antény, - uhol medzi horizont.rovinou a vyslaným lúčom

Radar typu Synthetic aperture radar (SAR)

Priestorové rozlíšenie je v smere letu nezávislé od vzdialenosti od antény. Teda je konštantné v smere letu a v smere kolmom na let závisí od uhla pohľadu.

h - výška letu, L – dĺžka antény, - uhol medzi horizont.rovinou a vyslaným lúčom


pozície antény

smer letu

objekt O

signálom

ožiarená stopa

Ra, Rb, Rc – vzdialenosti k objektu O

Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling,

Principles and Methodology

Princíp zaostrovania



pozície antény

smer letu

objekt O

signálom

ožiarená stopa




pozície antény

smer letu

objekt O

signálom

ožiarená stopa






pozície antény

smer letu

objekt O

signálom

ožiarená stopa




i

pcy

sin.2

.

2

Lx

L – dĺžka antény

c – rýchlosť svetla

- dĺžka trvania pulzu

p

x

y



SLAR

SAR

Lillesand et al. (2004): Remote Sensing and Image Interpretation

RADAR

SAR

Dôsledky šikmého snímania

Forma SAR záznamu



Určovanie nadmorskej výšky

Kianička (2005), Li et al. (2005)

?


Určovanie nadmorskej výšky

Fázový rozdiel prijatého signálu Intenzita prijatého signálu

Radargrametria Interferometria

(c) Intermap Inc.

(c) Intermap Inc.


Metódy analýzy obrazu

Range direction

Paralaxa p


21 cotcot

ph

Radargrametria


Princíp merania paralaxy bodu P pomocou SAR stereosnímok.

Range direction

Parallax p

DTM

Stereosnímky s prekryvom


(c) Intermap Inc.

Radargrametria - podobne ako pri fotogrametrii

21 cotcot

ph


11 cos. RHh

B..4

.arcsin 12

1

2

1


Zber údajov o nadmorskej výške

Interferometria

Koregistrácia snímok

interferogram

rozbalenie fáz

prevod fáz na výšky

SAR záznam 1

DTM

GCPs

SAR záznam 2

Princíp merania fázového rozdielu

dvoch snímok

Diferenciálna interferometria

opakované snímanie s časovým odstupom

• meranie zmien výšky povrchu

(seizmické poruchy, pohyb ľadovca, morskej hladiny)

• subcentimetrová presnosť

Kianička (2005): Radar Interfeometry used for detection of landslides and subsidences in Northern Bohemia Brown Coal Basin. PhD Thesis

Interferogram

Dif. interferogram

SAR 3

SAR 1

SAR 2


Výhody a nevýhody radarového snímania

– zložitejší vznik obrazu ako vo fotogrametrii

- nezávislosť od dennej doby (deň-noc)

- nezávislosť od počasia (signál preniká oblačnosťou)

- potrebný vlastný zdroj energie

- obmedzená životnosť

- možnosť snímania niekoľkých vlnových dĺžok

- prienik pod zem – dlhšie vlnové dĺžky

- zber výšok reliéfu

- určovanie veľmi malých zmien relatívnej výšky povrchu

(diferenciálna interferometria)

Využitie radarového obrazu

– kartografia – oblačné oblasti

- geológia – geologické mapovanie

- hydrológia – pôdna vlhkosť, povodne, sneh

- poľnohospodárstvo – rozlíšenie kultúr

- lesníctvo – holoruby, požiare

- oceanológia – tvar, smer vĺn, znečistenie

- obrana, NATO, ...

- Družicové merania použiteľné pre mapovanie

1:25 000 – 500 000

- Letecké meranie okolo 1:10 000

Prienik mikrovĺn

povrch prienik do hĺbky

sladká voda mm až cm

čistý ľad 1 m až 100-ky m

morský ľad cm až 1 m

suchá pôda cm až m

mokrá pôda cm až cm

Prienik mikrovĺn = 3 až 15 cm :

Jazero Vostok

Antarktída

- pod 4000 m hrubou vrstvou ľadu

- ukryté pod ľadom min. 420 000 rokov

- hĺbka 670 m, plocha 14 000 km2

- objav 1996 - radar

- 250 x 50 km

- 5/2005 – ostrov v jazere

http://www.answers.com/topic/lake-vostok-1

Radarové snímacie systémy

– Radarsat (1995), RS 8 až 100 m

- Radarsat (leto 2007), RS 3 m

- ERS 1 (1991), RS 10 m

- ERS 2 (1995)

- Envisat (2002), najväčšia družica DPZ

- JERS (1992)

- ALMAZ (1991)

- STS-59, STS-68, STS-99

(Endeavour OV-105)

Porovnanie digitálnych modelov zemského povrchu zo SAR a LiDAR údajov

Systematic noise • Low-pass filtering • Downscaling the DEM • Denoising algorithms

Radarsat

– kanadská družica

ERS – European Radar System

– európske

družice

- ERS1, ERS2

Envisat

– európska

družica

- 8217 kg

JERS

– japonská družica

- 2001 – zánik nad Atlantikom

ALMAZ

– sovietska družica

- 1992 - zánik

SRTM – Shuttle Radar Topographic Mission (február 2000)

Topografické mapovanie pomocou raketoplánom neseného radaru

- Interferometrické meranie výšok povrchu pomocou dvoch SAR antén

Jensen, 2008

Laserová altimetria (LIDAR)

Laserové skenovanie

Laserové skenovanie – reálnejšia aproximácia krajiny Michal Gallay, Ján Kaňuk Seminár Centra excelentnosti informatických vied a znalostných systémov, Košice 4.4.2012

Rýchla, presná a detailná technológia pre zber polohovo

lokalizovaných informácií

• najmodernejšia metóda diaľkového prieskumu Zeme (DPZ)

• rozmach v posledných 20 rokoch

• vysoko efektívna (presnosť, rýchlosť a hustota zberu údajov)

• na základe snímania povrchu laserovým lúčom (laser scanning )

• LADAR (LAser Detection And Ranging )

• LIDAR (Light Detection And Ranging)

Technológia LiDAR

CW laser

Pulzný laser

Li et al. (2005): Digital Terrain Modeling, Principles and Methodology

Geometria snímania

- rozlíšenie v smere lúča

t - čas od vyslania po

prijatie pulzu

∆t - dĺžka pulzu

c – rýchlosť svetla

- fáza

- fázový rozdiel

f - frekvencia

www.geolas.com

Brenner et al. 2006

mechanizmus

vzor na skenovanom

povrchu

Mechanizmy skenovania

Nosič

Družicový (napr. GLAS)

Letecký (LLS)

Pozemný (PLS)

Výška letu

600 km 1 km 1 m

Priemer stopy

60 m 25 cm 1-10 cm

Vertikálna presnosť

15 cm - 10 m (závisí od

sklonu svahu)

20 cm (závisí od

sklonu svahu)

1-10 cm (závisí najmä

od vzdialenosti)

Nosiče

DMR Grónska z GLAS údajov http://nsidc.org/daac/projects/lidar/glas.html

Družicový LiDAR Nosič: Ice, Cloud, and land Elevation Satellite (ICESat) Lidarový senzor - Geoscience Laser Altimeter System (GLAS)

Rozpätie bodov: 170 m Priemer stopy: 70 m

Nosiče

Obdobie snímkovania: 09/2009 Nosič senzora: lietadlo Výška letu nad terénom: 3500 m Presnosť merania (RMSE z): 23 cm Rozloha: 141 km2

Počet bodov: 23 500 000 Priemerná vzdialenosť bodov: 2,4 m Rozsah oblasti: východná časť NP Slovenský kras (Soroška-Drienovec)

Referenčné dáta CaKS – metadáta k bodom LLS Pre Centrum excelentnosti znalostných systémov

Posledný odraz Prvý odraz

Model povrchu vegetácie nad modelom terénu Model terénu

Všetky typy bodov (7)

Referenčné dáta CaKS – klasifikácia bodov

Pozemné laserové skenovanie

Site at the Rossett Bridge

N

Site at the Middle Fell Farm LS point cloud

LS point cloud

Böhm, J., Haala, N. (2005): Efficient integration of aerial and terrestrial laser data for virtual city modeling using lasermaps

Kombinácia pozemného a leteckého skenovania pre extrakciu budov.

Objektové skenovanie

Digitálny model povrchu pieskovca pred a po 40 cykloch laboratórneho soľného zvetrávania. Hustota merania 1 000 000 bodov/m2.

Zdroj: Stephen McCabe (QUB Belfast)

Presnosť, frekvencia, výška letu

Leica ALS50-II

• Slaboodrazivé povrchy môžu byť nedetekovateľné, resp. vysokoodrazivé povrchy menej presne zamerané.

• Príliš silný odraz slnečného žiarenia od vysokoodrazivého povrchu môže presýtiť detektor a meranie bude neplané alebo menej presné.

• Najmenší rozmer detekovateľného objektu závisí od odrazivosti jeho povrchu.

Odrazivosť povrchu

Diskrétny a „full waveform“ záznam odrazu laserového lúča

www.riegl.com

Oproti diskrétnemu záznamu umožňuje • vyššiu hustotu meraní • neobmedzené množstvo záznamov odrazu jedného pulzu (zachytenie rôznych úrovní), • vysoké rozlíšenie viacerých objektov zachytených v rámci jednej stopy (od 0.5 m pre RIEGLLMS-Q560), • určenie priečneho rezu laserovou stopou.

Výhody „Full waveform“ záznam odrazu laserového lúča

Monitorovanie v lesníctve a poľnohospodárstve • Výška vegetácie, štruktúra vegetácie,

zdravotný stav vegetácie, výpočet biomasy

Vysokodetailné mapovanie urbánnej krajiny • 3D modelovanie budov, vegetácie • zlúčenie so záznamom z pozemného

laserového skenovania

Vysokodetailné mapovanie zaplavovaných území • Vysokokvalitné digitálne modely terénu,

schopnosť rozlíšiť aj nízku vegetáciu, presnejšie určenie drsnosti povrchu

Plánovanie a manažment infraštruktúry

• mapovanie elektrického vedenia, potrubí, železníc, ciest

Aplikácie “fullwaveform” lidaru

Hustota merania

Body zamerané totálnou stanicou

Body zamerané diferenciálnym GPS

Body z leteckého laserového skenovania

Body z pozemného laserového skenovania

Hustota vzorkovania reality – úroveň detailu (mierka)

Radar typu ISAR, DSM Bunka: 5x5m Hustota pôvodných meraní: 2,5x2,5m

Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pôvodné údaje: (c) Intermap Ltd.

Pomocná mriežka: 10x10m

Letecký lidar, DSM Bunka: 5m Hustota pôvodných meraní: 2m

Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pôvodné údaje: (c) Environment Agency UK



Pozemný lidar DSM Bunka: 5 m Hustota pôvodných meraní: 0,2m

Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko. Pomocná mriežka: 10x10m


Lidar DSM Bunka: 2m Hustota pôvodných meraní: 2m

Svah pri Middle Fell Farm, Great Langdale Valley, Anglicko Pôvodné údaje: (c) Environment Agency UK



Pozemný lidar DSM Bunka: 0,2m Hustota pôvodných meraní: 0,2m



Zber

• uhol sklonu reliéfu

• uhol skenovania

• presnosť klesá so vzrastajúcim sklonom svahu

Zdroje chýb

∆Z

∆XY

Laserová stopa na svahu

Filtrovanie údajov

• Záznam viacerých odrazov laserového lúča

• Pre tvorbu modelov reliéfu (terénu), detekciu budov, stromov, je potrebné body filtrovať (klasifikovať)

• Rôzne algoritmy produkujú rôzne výsledky.

• Porovnávanie bodov v definovanom malom okolí.

• Napr. na základe lokálneho sklonu, krivosti, zhlukovania.

Zdroje chýb

DSM zo všetkých bodov

Bunka rastra: 1 m

Spracovanie LiDAR údajov – filtrovanie

DMR po po filtrácii

Oblasť západne od obce Silica

Systematické chyby

• nepresná kalibrácia celého meracieho systému (skener+DGPS+IMU) limituje externú orientáciu skenovaných pásov

• výsledkom je systematická chyba merania („odskok“ pásu bodov)

• Odstránenie chyby vyžaduje zber kontrolných bodov skenovaním naprieč cez ostatné pásy

• Taktiež pozemný zber kontrolných bodov (najmä okraje násypov, rohy budov)

• Zlepšenie horizontálne chyby (40%) a vertikálnej chyby (25%)

Priečny prekryt viacerých pásov je potrebný pre úplne vyrovnanie chýb.

Výsledné mračno bodov po odstránení systematických chýb.

Zdroje chýb

• Zachytenie rozdielnych rozlišovacích úrovní

• Náhodné chyby (šum)

• Prítomnosť antropogénnych foriem reliéfu,

• Redundancia údajov, a súvisiaca výpočtová náročnosť.

Súvisiace problémy

LiDAR DMR DMR z vrstevníc

Náhodné chyby

Využitie laserového skenovania

– tvorba digitálnych modelov reliéfu najmä urbánne oblasti povodňové oblasti - mobilní operátori - architektúra - modelovanie povodní - detekcia elektrických vedení - Lesníctvo - výška lesného porastu, výpočet biomasy - prírodné havárie - meteorológia - podzemné staviteľstvo, ....

Documents

Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach ...web.science.upjs.sk/gallay/web_vyucba/DPZ/09_DPZ... · Bunka rastra: 1 m Spracovanie LiDAR údajov – filtrovanie Oblasť západ